反芻動物妊娠期和泌乳期生理代謝和微生物變化及其對子代發育的影響研究進展

杜海東,娜仁花

(內蒙古農業大學動物科學學院,呼和浩特 010018)

在妊娠期和泌乳期,母體為滿足胎兒生長和泌乳的需要,各系統(免疫系統、代謝系統)、器官(子宮、乳腺、肺、心血管、胰腺)和微生物均發生一系列的變化,在此期間母體生理變化非常重要,它關系到母體的健康和胎兒的正常發育[1]。在整個繁殖周期,母體營養、激素、免疫系統和微生物等一系列因素協同作用以維持母體生命活動和正常妊娠[2-3]。此外,母體妊娠期間生理代謝和微生物的變化也會影響胎兒組織發育、免疫系統成熟和微生物定植過程。但這一時期也是母體生理代謝高度敏感的時期,極易受內外環境影響而導致生理機能紊亂,這可能會引起一系列代謝性疾病,如妊娠糖尿病、妊娠毒血癥和代謝綜合征等,繼而導致母體健康受到損傷[4-6]。這些代謝性疾病還會對胎兒的健康造成長期的影響。如在出生前發育不良的胎羊,在出生后隨著日齡的增加,其負責胰島素分泌的β細胞數量和功能會發生損傷,并且不能維持相對足夠的胰島素分泌,進而影響健康[7]。因此,本綜述探討了反芻動物妊娠期和泌乳期生理代謝和微生物的變化以及對子代的影響,從而為進一步改善妊娠期和泌乳期反芻動物生理代謝狀態和微生物組成、防治妊娠期和泌乳期母體不良代謝狀態及降低子代健康風險提供參考。

1 妊娠期和泌乳期母體生理代謝變化

母體在妊娠期和泌乳期,免疫、內分泌和代謝狀態會發生一系列的變化,這些變化使母體為妊娠、分娩和哺乳做好準備[8]。在妊娠前期,母體會經歷胚胎發育和功能性胎盤形成等生理變化過程,而母體子宮內膜容受性的建立是胚胎著床和發育的重要決定因素。其中免疫系統是建立子宮內膜容受性的關鍵。母體樹突狀細胞能夠識別異于宿主的細胞,當樹突狀細胞識別外來細胞后,會分泌IL-12導致T輔助淋巴細胞1(Th1)的擴增以及促炎細胞因子的分泌,從而清除外來細胞[9]。而妊娠后的母體會建立對胚胎的免疫耐受性,如在胚胎植入母體子宮的過程中,伴隨著半乳糖凝集素在滋養外胚層的分泌,半乳糖凝集素將母體從促炎性Th1活性轉變到抗炎性Th2活性[10-11]。Th2淋巴細胞還通過分泌抗炎性IL-4、IL-10和IL-13,抑制Th1活性以限制炎癥發生,為母體建立免疫耐受性提供抗炎條件[12-14]。在妊娠前期,水平顯著提高的雌激素和孕酮也是子宮內膜容受性建立的關鍵激素,雌激素刺激子宮內膜發育,孕激素刺激、維持子宮功能、抑制母體免疫并參與調節子宮內膜容受性[15-16]。此外,雌激素和孕激素還可以協同作用,調節子宮雌激素受體的表達,從而促進胚胎的著床[16]。

妊娠前期被認為是一個合成代謝的過程,在此期間,母體血清中的雌激素、孕激素和胰島素濃度增加、母體胰島素敏感性增強,這有利于葡萄糖等營養物質合成脂質或糖原進行儲存[17]。而妊娠后期是胎兒快速生長和母體乳腺發育的關鍵時期,在此期間,子宮和乳腺的葡萄糖需求增加,因此,母體肝組織中葡萄糖合成增加,同時,脂肪組織和肌肉的葡萄糖利用減少[18-19]。為滿足妊娠后期母體和胎兒葡萄糖的需求,母體會分泌大量的胰高血糖素、生長激素和皮質醇等誘導胰島素抵抗的激素,使母體處于生理性胰島素抵抗狀態,降低胰島素靶器官對胰島素的敏感性,從而保證充足的葡萄糖供應,直到分娩后胰島素水平大多可自行恢復到正常狀態[20-21]。此外,胰島素抵抗和相對低血糖導致脂肪分解,使母體過渡到分解代謝狀態,母體優先使用脂肪作為能量來源,從而為胎兒保留可用的葡萄糖和氨基酸[22-23]。

大多數動物在產仔后能夠過渡到更高的能量需求狀態。在泌乳期間,母體動用脂肪組織儲備,肝中脂質代謝進一步加強,母體血液中非酯化脂肪酸水平上升[24-25]。此外,在泌乳期,母體氨基酸的生物合成、氨基酸代謝和含氮化合物代謝也顯著增強[26]。與此同時,母體肝代謝功能的增強伴隨著免疫系統指標和礦物質平衡的改變[26-28]。以上這些變化可能反映了從妊娠到泌乳母體的生理性適應過程。

2 妊娠期和泌乳期母體腸道、糞便和產道中微生物變化

在整個繁殖周期,母體微生物多樣性以及豐度呈動態變化狀態[29]。研究發現,妊娠前期絨山羊母羊腸道擬桿菌RF16、梭菌vadinBB60、毛螺菌科UGG_010、厭氧菌科和琥珀弧菌顯著富集[30]。在反芻動物中的擬桿菌、梭菌和毛螺菌科的發酵底物主要為碳水化合物,其發酵產物主要為甲酸、丁酸、乙酸和乳酸等,其中,乳酸是胎兒主要能量來源之一[31]。在妊娠早期,母體腸道產生丁酸的細菌數量也會增加,而具有抗炎和免疫調節功能的丁酸在維持母體健康和生育能力方面起重要作用[32]。如初產奶牛在妊娠期間其糞便中瘤胃球菌科的豐度顯著提高,瘤胃球菌科是反芻動物胃腸道中豐度最大的丁酸生產菌,這類細菌的發酵產物如丁酸等短鏈脂肪酸通過調節T細胞改善生殖系統炎癥,這對妊娠的建立和維持非常重要[33-34]。在動物生殖系統存在的低豐度乳酸桿菌也對動物生殖系統健康起積極作用,乳酸桿菌通過生產有機酸和細菌素,維持生殖系統酸性環境、抑制常見的病原體。在牛的產道中乳酸桿菌缺乏,但處于發情周期的奶牛在其產道可檢測到低豐度的乳酸桿菌,這對抑制不良微生物的增殖,維持產道微生物群的共生具有重要作用[35]。此外,在分娩前將乳酸桿菌注入奶牛子宮和產道,分娩后母?；甲訉m炎的幾率更低[36]。以上變化可能與母體微生物和免疫調節適應妊娠有關[37]。

妊娠后期,顫螺旋菌科、擬桿菌、Coprococcus_2、Ruminiclostridium_5和Ruminococcaceae_UCG-007在母羊腸道顯著富集[38]。顫螺旋菌科的相對豐度與胰高血糖素樣肽-1的表達水平呈極顯著正相關[39]。胰高血糖素樣肽-1是一種來自腸道的肽激素,通過調節胰島素分泌在維持糖代謝穩態過程中起重要作用[40]。而擬桿菌、Coprococcus_2、Ruminiclostridium_5和Ruminococcaceae_UCG-007的豐度與揮發性脂肪酸的濃度呈正相關[41-42]。分娩后,在母牛腸道和產道樣本中,屬于瘤胃球菌科的OTU豐度最高,在初乳中棲水菌屬OTU豐度最高[43]。瘤胃球菌科和棲水菌屬細菌大多屬于產酸菌[44]。綜合以上結果,從妊娠期到產后微生物組成的變化可能反映了母體特殊時期的代謝和免疫變化。

此外,母體的生理狀態,包括母體的激素分泌、免疫狀態和代謝發生的巨大變化會導致微生物變化,并且微生物變化可能與免疫、內分泌和代謝狀態相協調來維持妊娠和泌乳過程[3]。Oterc等[45]研究發現,處于發情周期的母牛其產道乳酸桿菌的豐度增加與孕酮含量的升高有關。在對人類和小鼠的研究中發現,母體腸道雙歧桿菌的豐度受孕酮的影響,在妊娠晚期,母體相對高的孕酮濃度會相應提高腸道雙歧桿菌的豐度,而雙歧桿菌可能通過調節體重增加、改善胰島素敏感性和葡萄糖耐量以及增強免疫系統對母體產生積極影響[46]。而Koren等[32]也發現了類似的結果,在妊娠晚期,母體腸道中的變形桿菌和放線桿菌的豐度增加,而這降低了母體的胰島素敏感性并有利于母體脂肪沉積。

3 妊娠期母體生理代謝變化對胎兒發育的影響

3.1 生長激素-胰島素樣生長因子軸

生長激素(growth hormone, GH)和胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors, IGFs)是驅動哺乳動物生長發育的重要激素,對動物出生前后的生長和發育至關重要。母體循環中的GH和IGFs都不能穿過胎盤屏障,因此母體循環中的GH和IGFs對胎兒生長的影響是通過母體和胎盤間接作用于胎兒,而不是對胎兒直接產生影響[47]。在妊娠山羊上,隨著妊娠時間的增加,母體循環中的GH含量呈持續升高狀態[48]。而母體GH濃度升高會增加母體循環中葡萄糖的濃度和胎盤向胎兒轉移營養的能力以此來影響胎兒的生長[47]。此外,妊娠期母體適宜劑量的外源GH注射對胎兒的生長發育也具有一定的積極影響。給處于妊娠前期的母羊注射外源性GH會改變其內分泌狀態,誘導母體的代謝從脂肪組織沉積向蛋白質合成代謝轉變,母體這種營養分配的改變提高了胎兒可利用營養物質(葡萄糖和乳酸鹽)濃度并利于子宮胎盤和胎兒生長增強[49]。在妊娠母牛上的研究也發現了類似的結果,Ribeiro等[50]給處于胚胎植入期的母牛注射外源性GH,發現母牛血漿GH和IGF-1的濃度提高,而這有利于胚胎發育。

在妊娠期母體循環中的IGF主要通過母胎界面的交流來調節胎兒生長發育過程。IGF-1 是促進胎兒生長的重要因子,對胎兒的出生體重具有顯著影響。IGF-1能夠直接影響母體組織的生長和新陳代謝,從而調節胎兒生長的營養可用性[51]。在關于妊娠奶牛的研究中發現,妊娠后期母體循環中IGF-1的增加伴隨著葡萄糖、非酯化脂肪酸濃度和淋巴細胞數量的增加,這利于胎兒生長和免疫系統發育[52]。因此,母體IGF-1濃度的增加能促進胎兒組織的生長,當IGF-1缺乏時可引起宮內生長遲緩[53]。而IGF-2則直接作用于胎盤,調節其形態發生、營養物質運輸和激素分泌能力,從而影響胎盤向胎兒提供營養的能力[51]。外源性IGFs也能夠通過提高營養物質利用效率、改變胎盤的功能,對胎兒生長產生積極影響。如妊娠后期的胎羊臍帶氨基酸攝取率和胎氧含量較低,使用 IGF-1注射治療后,雖然胎羊胎氧含量和營養物質濃度并未發生改變,但胎羊的器官發生特異性生長,而這可能是由于IGF-1可以促進動物高效地利用營養素來支持胎兒的生長,而不是通過刺激胎盤血流或營養物質轉移到胎兒來產生影響[54]。

3.2 甲狀腺激素

甲狀腺激素包括三碘甲狀腺原氨酸(T3)和甲狀腺素(T4),是胎兒生長發育所必需的激素。胎兒利用的甲狀腺激素主要源自母體,母體甲狀腺激素向胎兒的傳遞依賴于胎盤組織上存在的多種與甲狀腺激素相關的作用分子,如甲狀腺激素轉運蛋白(單羧酸轉運蛋白8、單羧酸轉運蛋白10、有機陰離子轉運多肽1A2等),主要在胎盤中轉運甲狀腺激素,2型碘化甲狀腺原氨酸脫碘酶(iodothyronine deiodinase2, Dio2)和Dio3則控制胎盤內甲狀腺激素水平,而胎盤組織上的甲狀腺激素核受體α1則通過與母體的甲狀腺激素結合調控胎兒相關組織基因的轉錄與表達,進而調節胎兒大腦、心、肺、骨骼、肌肉和神經系統的發育以及體細胞組織的成熟、刺激胎兒合成代謝,并參與胎兒出生后的肺部氣體交換、氧氣消耗過程,在確保初生動物存活方面發揮重要作用[55-58]。甲狀腺激素在子宮內的生物利用度取決于胎兒下丘腦-垂體-甲狀腺軸的發育[57]。研究發現,甲狀腺功能受損的胎兒血漿T3和T4的濃度、跖骨長度和肌肉的蛋白質含量均低于甲狀腺功能正常的胎兒,且由于甲狀腺激素濃度影響胎兒線粒體功能的成熟,甲狀腺供應不足的胎兒在出生后更易發生氧化應激,從而損傷機體的健康狀態[59]。由于胎兒的甲狀腺激素在很大程度上依賴于母體通過胎盤為其供應,因此,隨著胎兒生長速度的提升,從妊娠中期開始,母體甲狀腺激素便處于緩慢上升狀態,到妊娠后期達到峰值后保持,直至胎兒出生后其水平仍然很高[[60-63]。而在整個妊娠階段,母體子宮內營養、內分泌狀況和胎盤對母體甲狀腺激素的通透性以及胎齡等因素均會影響胎兒體內T3和T4的濃度[62,64]。如限飼母羊胎盤子葉數減少,T3、T4濃度降低,這影響了母體通過胎盤將營養物質輸送到發育中的胎兒,從而對胎兒的生長造成了損傷[62,65]。

3.3 胰島素

胰島素是由胰腺內的胰島β細胞分泌的一種蛋白質激素,具有降血糖,促進糖原、脂肪和蛋白質合成等功能[66]。在妊娠期間,母畜體內的胰島素靶器官對胰島素的敏感性處于動態變化過程。在妊娠前期,母體胰島素敏感性增加,這有利于葡萄糖轉化為糖原或脂肪,從而為妊娠后期和泌乳儲備能量[18]。隨著妊娠的進展,為滿足胎兒生長和乳腺發育的能量需求,母體胰島素敏感性降低,胰島素水平逐漸增加,這會使母體血糖濃度升高和葡萄糖峰值延長,這促進了葡萄糖通過胎盤轉運,從而支持胎兒的快速生長[19]。與此同時,胎兒體內葡萄糖和氨基酸水平的升高,也會刺激其胰腺分泌胰島素[67-68]。胎兒的胰腺在妊娠中期發育,且在此期間胎兒體內的胰島素可以被檢測到[69]。胎兒體內的胰島素是其葡萄糖利用和肌肉蛋白質合成的重要調節劑,胎兒胰島素能夠通過調節胰島素敏感組織(心、肝、骨骼肌和脂肪組織)的葡萄糖和氨基酸利用效率從而提高生長速率[69-70]。

4 妊娠期和泌乳期母體微生物對子代的影響

4.1 妊娠期和泌乳期母體微生物對子代微生物的影響

動物對微生物最早接觸可能始于母體妊娠期間。如自然分娩犢牛,在出生時胎糞樣品中便檢測出微生物存在,由于在胎糞中不太可能早期檢測到來自母體產道、初乳或環境的微生物,因此,在胎糞中發現的微生物可能具有子宮內起源[43,71-72]。在關于絨山羊和綿羊母體微生物垂直傳播的研究中驗證了這一說法。研究發現,在初生羔羊瘤胃、皺胃、胎糞以及分娩后母羊胎盤、羊水中均檢測出微生物的存在,并且母仔微生物共享[30]。母胎微生物轉移的機制尚不清楚,有研究稱免疫細胞可能對機體內微生物轉移發揮作用,微生物能夠被免疫細胞吞噬,經淋巴或血液循環傳播到其他部位,因此,母源性細菌也可以通過胎盤屏障的細胞旁途徑轉移到胎兒身上[73-74]。然而,由于目前的檢測方法有限,且不能保證樣本完全不受污染,因此,關于微生物定植是否始于子宮仍存在爭議,需要進一步研究。母源微生物是哺乳期動物重要的微生物來源,在關于放牧牦牛微生物來源的研究中發現,哺乳期犢牛瘤胃細菌和古菌與母牛瘤胃液微生物相似性最高,而犢牛瘤胃原蟲與母牛唾液原蟲結構最為相似[75]。母乳喂養的3日齡羔羊43%腸道微生物來源于母羊的陰道、腹側皮膚和口腔[76]。此外,母牛糞便微生物可能在小牛腸道微生物的早期定植中起重要作用,Zhang等[7]研究發現,7日齡犢牛88.98%糞便微生物來自母牛糞便,且隨著犢牛日齡的增加來自母牛瘤胃液、乳房皮膚的微生物在小牛腸道微生物中所占的比例也隨之增加[77]。而哺乳期羔羊(第0～21天)40.81%和17.12%的糞便微生物分別來自母羊的產道和乳汁,但隨著羔羊日齡增長母羊糞便微生物所占的比例越來越大(1.32%～21.02%),而羔羊瘤胃細菌組成和VFA濃度與母羊瘤胃相似[78]。

在妊娠期和泌乳期間,母體微生物的代謝產物也可能通過胎盤或母乳喂養轉移給子代,這可能影響子代胃腸道微生物的定植過程。許多研究報告了母乳中短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)的存在,母乳 SCFAs 可能由胃腸道微生物產生,并通過循環系統運輸到乳腺,也可能是由乳汁微生物代謝產生,然而,目前還沒有試驗證據驗證母乳SCFAs的具體來源[79-80]。母乳中的SCFAs與初生動物腸道微生物群的建立有密切關系,母乳中的SCFAs為一些SCFAs依賴性微生物的生長創造合成代謝條件,從而促進此類微生物的生長并調節子代腸道微生物群的組成[81-82]。研究發現,母乳喂養的子代腸道具有較高數量的乳酸桿菌、雙歧桿菌和大腸桿菌,而這可能與SCFA介導的喂養效應有關[83]。

4.2 妊娠期和泌乳期母體微生物對子代免疫系統的影響

初生動物免疫細胞在功能上與成年動物免疫細胞不同,動物出生后便暴露于復雜的外界環境,因此它們優先發展抗原暴露的耐受性,例如對共生微生物的耐受性[84]。而胎兒時期微生物暴露對于提供抗原刺激至關重要,通過早期觸發調節性T細胞分化,從而促進免疫系統成熟,這使子代免疫系統更好地適應未來的抗原暴露[84-85]。妊娠期和泌乳期母體微生物參與了子代免疫系統的發育與成熟。在人類免疫系統的研究中發現,胎兒免疫系統在妊娠早期開始發育,使用16S rRNA基因測序對胎兒器官中的微生物進行了分析,發現在胎兒腸道、皮膚、胎盤和肺部中存在低豐度但一致的微生物信號,且妊娠3個月時在胎兒組織中鑒定出幾種活的細菌菌株,包括葡萄球菌和乳酸桿菌,它們通過誘導胎兒腸系膜淋巴結中記憶T細胞的體外活化,對胎兒的免疫啟動發揮作用[85]。Yu等[86]給妊娠母羊接種綠色熒光蛋白標記的金黃色葡萄球菌后的4～6 d,在胎盤和胎羊組織中檢測到綠色熒光蛋白。而在初生犢牛和羔羊的胎糞中也發現了與母體同源的微生物[30,43]。以上研究證明了胎兒可以暴露于母體細菌成分,而細菌從母體傳播到胎兒,可能會改變子代的免疫能力。De Agüero等[87]研究發現,妊娠小鼠定植特定細菌,增加了其子代腸道淋巴細胞的增殖和上皮抗菌肽的基因表達。產生該結果的原因可能是母體的特定抗體會保留微生物分子,并在懷孕和哺乳期間將其傳遞給后代。妊娠期和泌乳期母體微生物變化,有助于子代產生免疫刺激,并且早期接觸母體微生物能夠使子代更好地避免對微生物分子的過度炎癥反應,讓子代免疫系統為子宮外的生活做好準備[2,88-89]。

5 小 結

妊娠期和泌乳期是母體經歷的特殊的生理階段,在此期間,母體生理代謝和微生物組成均發生變化,這對促進母體成功妊娠、順利泌乳和子代的健康發育至關重要。此外,這段時期也是最早的可調控,且具有重要影響力的發育窗口期,外源性的刺激(營養、激素)能夠通過改變母體生理代謝狀態和微生物組成對子代的生長產生長期的影響。由于母體生理機制、代謝通路和微生物的復雜性,仍需要進一步的研究探索它們之間相互作用的分子機制,從而為確保母體健康、預防疾病以及通過早期調控使子代達到最佳生產性能開辟新的道路。